JP2017194075A - 電磁スプリングクラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】接続回数が増加した際における電磁スプリングクラッチの接続時に発生するショックトルクを低減できるようにする。【解決手段】入力軸２と、インプットロータ４と、アウトプットハブ６と、インプットロータ４の外周面４Ｂとアウトプットロータ６の外周面６Ｂを外周側から巻き締めて、インプットロータ４とアウトプットハブ６との間のトルク伝達を可能にするスプリング７と、スプリング７の一端が係合され、電磁力によりインプットロータ４に吸着され、摩擦力によりインプットロータ４と同方向に回転可能となるアーマチュア５と、印加される電圧に応じて電磁力を発生させる磁力発生部３と、スプリング７により、インプットロータ４とアウトプットハブ６とを接続した回数を管理する回数管理部２２と、回数が多くなるほど、磁力発生部３に印加させる電圧が低くなるように制御する電圧制御部２３と、を備えるように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、入力側と出力側とをスプリングの巻き締め力により連結する電磁スプリングクラッチに関する。

従来、トラック等の車両には、エンジンやモータ等の動力源による駆動力を車両の架装物を駆動させる動力として出力するための動力出力機構（ＰＴＯ）が設けられているものがある。動力出力機構には、動力源から架装物側への駆動力の断接を行うための電磁スプリングクラッチが設けられているものがある。

電磁スプリングクラッチに関する技術としては、コイルバネを略三角形あるいはほぼ台形の断面する線材を三角形または台形の底辺が内側となる様に巻回させることにより、コイルばねの締結に必要な荷重を軽減し、コイルばねの縮径動作をスムースにする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

実開昭５７−１１７４２６号公報

電磁スプリングクラッチを接続する際には、スプリングが捩られることにより縮径されて、入力ハブと出力ハブとの外周面を巻き締めることにより、入力ハブと出力ハブとが連結される。このように電磁スプリングクラッチを接続する際には、一時的に過大なトルク（ショックトルク）が発生する。

このショックトルクは、異音を発生させたり、電磁スプリングクラッチの入力軸に動力を伝達するためのギヤ等の動力伝達部材に損傷を発生させたりする虞がある。このようなショックトルクの影響を防止するために、動力伝達部材に対して表面処理を施したり、動力伝達部材の材質を変えたりすることが行われる。

特に、このショックトルクは、電磁スプリンククラッチを接続した回数が増加するほど大きくなることが判明した。このため、電磁スプリングクラッチの接続を繰り返し行うことにより増加するショックトルクを想定して、動力伝達部材の材質等を考慮しなければならない。増加するショックトルクを想定した動力伝達部材を用意するようにすると、コストが大幅に増加してしまう問題がある。

そこで、本発明は、接続回数が増加した際における電磁スプリングクラッチの接続時に発生するショックトルクを低減することができる技術を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明の一観点に係る電磁スプリングクラッチは、動力が入力される入力軸と、入力軸に相対回転不能に固定され、入力軸の軸方向の延びる入力側外周面を有する入力ハブと、入力ハブと同軸に配置され、入力軸の軸方向に延びる出力側外周面を有する出力ハブと、入力ハブの入力側外周面と前記出力ハブの出力側外周面の径方向外側に巻回された状態で配置され、縮径されることにより入力ハブの入力側外周面と出力ハブの出力側外周面とを外周側から締め付けて、入力ハブと出力ハブとの間のトルク伝達を可能にするスプリングと、スプリングの一端が係合され、電磁力により入力ハブに吸着され、摩擦力により入力ハブと同方向に回転可能となるアーマチュアと、印加される電圧に応じて、アーマチュアを入力ハブに吸着させる電磁力を発生させる磁力発生部と、スプリングにより入力ハブと出力ハブとの間を接続した回数を管理する回数管理手段と、回数が多くなるほど、磁力発生部により発生される電磁力が小さくなるように制御する磁力制御手段と、を備える。

上記電磁スプリングクラッチにおいて、磁力制御手段は、回数が多くなるほど、磁力発生部に印加させる電圧が低くなるように制御するようにしてもよい。

上記電磁スプリングクラッチにおいて、磁力制御手段は、回数に応じて、印加される電圧が段階的に低くなるように制御するようにしてもよい。

また、上記電磁スプリングクラッチにおいて、磁力制御手段は、回数に応じて、印加される電圧が連続的に低くなるように制御するようにしてもよい。

本発明によれば、接続回数が増加した際における電磁スプリングクラッチの接続時に発生するショックトルクを低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチの上半分の断面を含む模式的な構成図である。 図２（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチの断状態を示す模式的な断面図である。図２（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチの接状態を示す模式的な断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチによるクラッチ接続制御処理のフローチャートである。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチの上半分の断面を含む模式的な構成図である。

電磁スプリングクラッチ１は、入力軸２と、磁力発生部３と、入力ハブの一例としてのインプットロータ４と、アーマチュア５と、出力ハブの一例としてのアウトプットハブ６と、スプリング７と、スプリングカバー９と、アダプター１０と、制御装置２０と、を備える。

入力軸２は、図示しないベアリングにより回転可能に固定されている。入力軸２には、図示しないエンジン等の動力源からの駆動力がギヤ等を介して伝達されるようになっている。

磁力発生部３は、円環状の部材であり、内周側に入力軸２が挿通された状態で図示しないケースに固定される。磁力発生部３は、鉄等の強磁性体の部材により構成された円環状のヨーク３Ａと、通電されるとアーマチュア５を引き寄せる磁力を発生させる励磁コイル３Ｂとを備える。磁力発生部３は、後述する電圧制御部２３により印加された電圧に応じた磁力を発生させる。磁力発生部３は、印加された電圧が高いほど励磁コイル３Ｂを流れる電流が大きくなるので、発生する磁力が強くなる。

インプットロータ４は、略円筒状の部材であり、入力軸２に一体回転可能に接続される。インプットロータ４は、入力軸２の軸Ｏに垂直な面であって、磁力発生部３により引き寄せられたアーマチュア５が吸着される吸着面４Ａと、外周側にスプリング７が巻回される、軸方向に延びる外周面（入力側外周面）４Ｂとを有する。

アウトプットハブ６は、略円筒状の部材であり、入力軸２の周囲に軸受１２，１３を介して、回転可能に配置される。アウトプットハブ６は、スプリング７のＢ方向側の端部の爪部７Ｂと係合する溝部６Ａと、外周側にスプリング７が巻回される、軸方向に延びる外周面（出力側外周面）６Ｂとを有する。アウトプットハブ６の外周面６Ｂの外径は、インプットロータ４の外周面４Ｂの外径と略同じ径となっているが、径が異なっていてもよい。

スプリング７は、線材が巻回されて形成されたスプリングであり、スプリング７の無負荷時の内周の径は、インプットロータ４の外周面４Ｂ及びアウトプットハブ６の外周面６Ｂの径より長くなるように形成されている。スプリング７は、アウトプットハブ６の外周面６Ｂ及びインプットロータ４の外周面４Ｂの径方向外側を取り囲むように配置される。スプリング７のＡ方向側の端部には、アーマチュア５の溝部５Ａと係合するための径方向外側に突出する爪部７Ａが形成され、Ｂ方向側の端部には、アウトプットハブ６の溝部６Ａと係合するための径方向内側に突出する爪部７Ｂが形成されている。

アーマチュア５は、インプットロータ４の外周面４Ｂの外径よりも長い内径を有する円環状の部材であり、例えば、永久磁石又は磁性体で構成される。アーマチュア５は、一方側（図中Ａ側）の面がインプットロータ４の吸着面４Ａと対向するように配置される。アーマチュア５は、スプリング７のＡ方向側の端部の爪部７Ａと係合する溝部５Ａを有する。アーマチュア５は、磁力発生部３により磁力が発生されていない場合には、インプットロータ４から離れた状態となっている一方、磁力発生部３により磁力が発生されている場合には、Ａ方向に吸引されて、インプットロータ４の吸着面４Ａに吸着される。

アーマチュア５がインプットロータ４に吸着されると、アーマチュア５とインプットロータ４との間に摩擦力が生じ、この摩擦力はアーマチュア５をインプットロータ４と同方向に回転させようと作用する。この摩擦力は、アーマチュア５が、スプリング７を巻き締めてインプットロータ４及びアウトプットハブ６を結合するために利用されることとなる。この摩擦力は、磁力発生部３による磁力が大きいほど、大きくなる。したがって、磁力発生部３による磁力を小さくすれば、アーマチュア５とインプットロータ４との間の摩擦力が小さくなり、結果として、スプリング７を巻き締める力が弱くなり、スプリング７が巻き締められる時間を長期化することができる。このため、インプットロータ４及びアウトプットハブ６との結合時に発生するショックトルクを低減することができる。

スプリングカバー９は、略円筒状の部材であり、スプリング７のＢ方向側端部のＢ方向側と、スプリング７の径方向外側と、アーマチュア５の径方向外側とを取り囲むように配置される。

アダプター１０は、略円筒状の部材であり、入力軸２の周囲に軸受１３，１４を介して、回転可能に配置される。アダプター１０は、アウトプットハブ６に図示しないボルトにより一体回転可能に接続される。アダプター１０には、入力軸２からの駆動力を必要とする駆動部に駆動力を伝達するための部材が接続される。

制御装置２０は、磁力発生部３により発生する磁力の制御を行うもので、公知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。

また、制御装置２０は、接続受付部２１と、回数管理手段の一例としての回数管理部２２と、磁力制御手段の一例としての電圧制御部２３とを一部の機能要素として有する。これらの機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアである制御装置２０に含まれるものとして説明するが、これらの何れか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

接続受付部２１は、電磁スプリングクラッチ１を接続する（接状態とする）か否か、すなわち、入力軸２からの駆動力を出力側（アウトプットハブ６等）に伝達させるか否かを指示するための図示しない接続切替スイッチの状態に応じた信号を受け付け、その信号が電磁スプリングクラッチ１を接続することを指示している場合には、電圧制御部２３に磁力発生部３への電圧の印加を指示し、その信号が電磁スプリンククラッチ１を切断する（断状態とする）ことを指示している場合には、電圧制御部２３に対して磁力発生部３への電圧の印加の停止を指示する。

回数管理部２２は、スプリング７により入力軸２（インプットロータ４）を出力側（アウトプットハブ６等）と接続した回数（接続回数）を計数して管理する。

電圧制御部２３は、接続受付部２１から磁力発生部３への電圧の印加の指示を受けた場合には、回数管理部２２が管理している接続回数を取得して、接続回数に基づいて、磁力発生部３に印加する電圧値を決定する。電圧制御部２３は、接続回数が多くなるほど、磁力発生部３に印加する電圧の電圧値が小さくなる様に電圧値を決定する。ここで、電圧値は、その接続回数の場合に、アーマチュア５とインプットロータ４との摩擦力を、ショックトルクを所定以下にすることのできる摩擦力とすることのできるものであればよく、例えば、実験的に求めることができる。

電圧制御部２３が決定する電圧値は、接続回数が多くなるほど段階的に小さくなるようにしてもよい。例えば、０回以上１０００回未満、１０００回以上２０００回未満、２０００回以上のグループのように、接続回数に応じて複数のグループを用意し、各グループに属する接続回数の場合に印加する電圧の電力値として、接続回数が多いグループほど印加する電圧の電力値小さくなるように設定しておき、電圧制御部２３は、接続回数がどのグループに属するかを判定し、属すると判定されたグループに対応する電力値を特定し、その電力値に相当する電力を磁力発生部３に印加するようにしてもよい。また、電圧制御部２３が決定する電圧値を接続回数が多くなるほど連続的に小さくなるようにしてもよい。例えば、接続回数が多くなるほど、電力値が連続的に小さくなるような関係式を予め作成しておき、電圧制御部２３は、関係式に接続回数を代入することにより、電圧値を決定するようにしてもよい。

また、電圧制御部２３は、接続受付部２１から磁力発生部３への電圧の印加の停止指示を受けた場合には、磁力発生部３への電圧の印加を停止する。

次に、本実施形態に係る電磁スプリングクラッチ１の動作について説明する。

まず、電磁スプリングクラッチ１が断状態である場合、すなわち、入力軸２からの駆動力を出力側（アウトプットハブ６側）に伝達しない場合について説明する。図２（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチの断状態を示す模式的な断面図である。

この場合には、磁力発生部３の励磁コイル３Ｂは、通電されていない状態とされており、アーマチュア５は、インプットロータ４から離れた状態となっている。このため、入力軸２に駆動力が加えられている状態では、入力軸２とインプットロータ４とは一体回転するが、アーマチュア５は回転しない。したがって、スプリング７は縮径されず、スプリング７によるインプットロータ４及びアウトプットハブ６の巻き締めは行われないので、インプットロータ４とアウトプットハブ６とは結合されず、入力軸２からの駆動力が出力側には伝達されない。

次に、電磁スプリングクラッチ１を接状態にする場合、すなわち、入力軸２からの駆動力を出力側（アウトプットハブ６側）に伝達する場合について説明する。図２（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチの接状態を示す模式的な断面図である。

この場合には、磁力発生部３の励磁コイル３Ｂは、通電されている状態とされる。これにより、アーマチュア５は、インプットロータ４に吸着される。

入力軸２に駆動力が加えられている状態では、入力軸２とインプットロータ４とは一体回転し、アーマチュア５はインプットロータ４に吸着されているので、インプットロータ４とともに回転を開始する。ここで、アーマチュア５は、インプットロータ４との摩擦力がスプリング７から受けるトルクに勝る場合には、インプットロータ４と一体回転し、インプットロータ４との摩擦力がスプリング７から受けるトルクに劣る場合には、インプットロータ４との間に滑りを発生しながら回転する。本実施形態では、接続回数が多いほど、磁力発生部３により発生される磁力が小さくなるので、アーマチュア５とインプットロータ４との摩擦力が小さくなる。

インプットロータ４が回転を開始すると、アーマチュア５に一端が係合されているスプリング７が徐々に縮径されて、スプリング７によるインプットロータ４及びアウトプットハブ６の巻き締めが開始される。

ここで、スプリング７を介してインプットロータ４からアウトプットハブ６側に伝達可能なトルク（スプリング７による巻き締める力（巻締力）に対応）は、インプットロータ４とアーマチュア５との間の摩擦力と、スプリング７とインプットロータ４との間の摩擦力とに起因するが、アーマチュア５とインプットロータ４との摩擦力が低減されて、アウトプットハブ６側に伝達可能なトルクが低減されるので、磁力発生部３に印加する電圧を変えない場合に比して、スプリング７がアウトプットハブ６を巻き締めて、インプットロータ４とアウトプットハブ６とが完全に結合されるまでの時間（接続時間）が長期化され、ショックトルクを低減、すなわち、発生する最大トルクを低減することができる。

次に、電磁スプリングクラッチ１によるクラッチ接続制御処理について説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る電磁スプリングクラッチによるクラッチ接続制御処理のフローチャートである。

まず、接続受付部２１は、図示しない接続切替スイッチの状態を示す信号として、電磁スプリングクラッチ１を接続することを指示する信号（クラッチ接続指示）を受け付けたか否かを判定し（ステップＳ１１）、クラッチ接続指示を受け付けていない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）には、ステップＳ１１を再び実行する。

一方、クラッチ接続指示を受け付けた場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）には、接続受付部２１は、電圧制御部２３に磁力発生部３への電圧の印加を指示し、電圧制御部２３は、回数管理部２２から電磁スプリングクラッチ１の接続回数を取得し、接続回数に基づいて、磁力発生部３に印加する電圧の電圧値を決定する（ステップＳ１２）。これにより、接続回数が多いほど、磁力発生部３に印加する電圧の電圧値を小さくすることができる。

次いで、電圧制御部２３は、磁力発生部３への決定した電圧値の電圧の印加を開始する（ステップＳ１３）。これにより、アーマチュア５はインプットロータ４に吸着される。

入力軸２に駆動力が加えられている状態では、入力軸２とインプットロータ４とは一体回転し、アーマチュア５はインプットロータ４に吸着されているので、インプットロータ４とアーマチュア５とに間には摩擦力が発生する。

この結果、インプットロータ４とアーマチュア５との間の摩擦力と、スプリング７とインプットロータ４との間の摩擦力とが、スプリング７を縮径させてアウトプットハブ６に巻き締めるとともにアウトプットハブ６を回転させるためのトルクに十分対抗できる場合には、アーマチュア５はインプットロータ４と一体回転する。一方、インプットロータ４とアーマチュア５との間の摩擦力と、スプリング７とインプットロータ４との間の摩擦力とが、スプリング７を縮径させてアウトプットハブ６に巻き締めるとともにアウトプットハブ６を回転させるためのトルクに対抗できない場合には、スプリング７は、インプットロータ４の周囲を滑る状態となり、且つアーマチュア５は、インプットロータ４に対して滑りながら回転する。このように、アーマチュア５がインプットロータ４に対して滑りながら回転する場合には、スプリング７が縮径される時間が、アーマチュア５がインプットロータ４と一体回転する場合よりも長期化する。

ここで、磁力発生部３に印加する電圧を接続回数が多いほど低い電圧としているので、接続回数が多い場合には、アーマチュア５とインプットロータ４との間の摩擦力を低減して、インプットロータ４とアーマチュア５との間の摩擦力と、スプリング７とインプットロータ４との間の摩擦力とにより対抗できるトルクを低減するようにしているので、磁力発生部３に印加する電圧を変えない場合に比して、スプリング７を縮径させてアウトプットハブ６に巻き締めるとともにアウトプットハブ６を回転させるためのトルクを低減することができ、スプリング７が完全に巻き締められる時間を長期化し、インプットロータ４及びアウトプットハブ６との結合時に発生するショックトルクを低減することができる。

その後、接続受付部２１は、図示しない接続切替スイッチの状態を示す信号として、電磁スプリングクラッチ１を切断することを指示する信号（クラッチ切断指示）を受け付けたか否かを判定し（ステップＳ１４）、クラッチ切断指示を受け付けていない場合（ステップＳ１４：ＮＯ）には、ステップＳ１４を再び実行する。

一方、クラッチ切断指示を受け付けた場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）には、接続受付部２１は、電圧制御部２３に対して磁力発生部３への電圧の印加の終了を指示し、電圧制御部２３は、磁力発生部３への電圧の印加を終了する（ステップＳ１５）。次いで、回数管理部２２は、接続回数に１を加算して（ステップＳ１６）、処理をステップＳ１１に進める。

以上説明したように、本実施形態に係る電磁スプリングクラッチ１によると、磁力発生部３に印加する電圧を接続回数が多いほど低い電圧としているので、接続回数が多い場合には、アーマチュア５とインプットロータ４との間の摩擦力を低減して、磁力発生部３に印加する電圧を変えない場合に比して、インプットロータ４とアーマチュア５との間の摩擦力及びスプリング７とインプットロータ４との間の摩擦力が対抗できるトルクを低減することができる。この結果、スプリング７が完全に巻き締められる時間を長期化することができ、インプットロータ４及びアウトプットハブ６との結合時に発生するショックトルクを適切に低減することができる。

一方、ショックトルクが比較的低い接続回数が少ない場合には、磁力発生部３に印加する電圧を接続回数が多い場合よりも高い電圧としているので、アーマチュア５とインプットロータ４との間の摩擦力を確保して、インプットロータ４とアーマチュア５との間の摩擦力及びスプリング７とインプットロータ４との間の摩擦力が、スプリング７を縮径させてアウトプットハブ６に巻き締めるとともにアウトプットハブ６を回転させるためのトルクに対抗できなくなる可能性を抑えるようにしているので、アーマチュア５がインプットロータ４に対して滑りながら回転することを低減でき、その際に発生するスプリング７の内周とインプットロータ４との回転接触による摩耗を適切に低減することができ、スプリング７の寿命が短縮してしまうことを適切に防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、電磁スプリングクラッチ１の１回の接続時には、磁力発生部３に印加する電圧を電圧制御部２３が決定した一定の電圧としていたが、例えば、スプリング７によるインプットロータ４及びアウトプットハブ６との結合が完了した後において、磁力発生部３に印加する電圧を高くしてもよい。このようにすると、電磁スプリングクラッチ１の接続を継続している際におけるインプットロータ４とアーマチュア５との吸着状態を適切に維持することができ、電磁スプリングクラッチ１における駆動力の伝達を適切に行うことができる。

１ 電磁スプリングクラッチ
２ 入力軸
３ 磁力発生部
４ インプットロータ
４Ａ 吸着面
４Ｂ 外周面
５ アーマチュア
５Ａ 溝部
６ アウトプットハブ
６Ａ 溝部
６Ｂ 外周面
７ スプリング
７Ａ，７Ｂ 爪部
９ スプリングカバー
１０ アダプター
２０ 制御装置
２１ 接続受付部
２２ 回数管理部
２３ 電圧制御部

Claims (4)

1. 動力が入力される入力軸と、
   前記入力軸に相対回転不能に固定され、前記入力軸の軸方向の延びる入力側外周面を有する入力ハブと、
   前記入力ハブと同軸に配置され、前記入力軸の軸方向に延びる出力側外周面を有する出力ハブと、
   前記入力ハブの入力側外周面と前記出力ハブの前記出力側外周面の径方向外側に巻回された状態で配置され、縮径されることにより前記入力ハブの入力側外周面と前記出力ハブの出力側外周面とを外周側から締め付けて、前記入力ハブと前記出力ハブとの間のトルク伝達を可能にするスプリングと、
   前記スプリングの一端が係合され、電磁力により前記入力ハブに吸着され、摩擦力により前記入力ハブと同方向に回転可能となるアーマチュアと、
   印加される電圧力に応じて、前記アーマチュアを前記入力ハブに吸着させる電磁力を発生させる磁力発生部と、
   前記スプリングにより、前記入力ハブと前記出力ハブとの間を接続した回数を管理する回数管理手段と、
   前記回数が多くなるほど、前記磁力発生部により発生される電磁力が小さくなるように制御する磁力制御手段と、
   を備える電磁スプリングクラッチ。
2. 前記磁力制御手段は、前記回数が多くなるほど、磁力発生部に印加させる電圧が低くなるように制御する
   請求項１に記載の電磁スプリングクラッチ。
3. 前記磁力制御手段は、前記回数に応じて、印加させる電圧が段階的に低くなるように制御する
   請求項２に記載の電磁スプリングクラッチ。
4. 前記磁力制御手段は、前記回数に応じて、印加させる電圧が連続的に低くなるように制御する
   請求項２に記載の電磁スプリングクラッチ。

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